淺層天然氣對淺埋隧道安全性的影響研究

張小林 應 黎 馮 君

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

長期以來，鐵路隧道瓦斯和淺層天然氣爆炸一直是困繞隧道安全施工的一大難題，也是隧道工程常見病害類型之一。

匡亮、張振強[1-2]等人對鐵路瓦斯隧道高低等級劃分界限進行了研究，重新提出了瓦斯隧道分類標準；袁帥[3]通過對鐵路瓦斯隧道通風方案和方法的深入研究，提出了針對特長隧道的瓦斯氣體防治方法；鄭書星[4]等人等通過數值模擬的方法提出了隧道瓦斯新的分級標準。蔣敏[5]通過研究瓦斯對隧道的危害性，提出了瓦斯隧道的防治措施。唐小兵[6]研究了通風設備與降低瓦斯濃度和保證施工安全的關系；陳家清[7]等人通過對洪福隧道的研究，提出了控制隧道瓦斯濃度的措施；洪開榮[8]通過對國內外各典型隧道的分析，闡述了未來隧道發展方向；周瑩[9]以蘭渝鐵路玄真觀隧道為研究對象，分析了非煤系瓦斯在隧道的分布和運移規律。李波[10]運用數值模擬，取得了公路瓦斯隧道的流場、分布、運動規律；康小兵[11]等人通過對瓦斯檢測數據的分析，總結了瓦斯濃度的影響因素。當鐵路隧道線路長度較短、埋深較淺時，淺層天然氣的預測預報容易被忽視，施工時可能會發生天然氣爆炸或燃燒，給隧道施工安全帶來隱患。因此加強隧道淺層天然氣預測預報工作十分必要。

本文通過對某穿越油氣田淺埋隧道的研究，分析淺層天然氣對隧道安全性的影響，以淺層天然氣的儲存條件和測試結果分析研究了隧道穿越淺層天然氣危害性。

1 區域地質及儲存條件

1.1 區域地質概況

線路穿越蘇碼頭油氣田。該油氣田位于四川盆地川西中新生代沉積凹陷區南部、成都凹陷低緩構造帶東側、蘇碼頭-鹽井溝斷褶背斜構造帶的北端，氣田兩側被熊坡斷層和蘇碼頭-鹽井溝斷層所夾持。背斜核部出露侏羅系蓬萊鎮組，兩翼主要出露白堊系地層，部分區域被第四系覆蓋。構造圈閉要素如表1所示。

表1 蘇碼頭構造圈閉要素表

1.2 構造特征

蘇碼頭油氣構造為北東向構造，軸部地層為上侏羅統蓬萊鎮組上部地層，翼部有白堊系地層分布，外圍有第四系地層廣布，兩翼不對稱，北西翼陡，南東翼緩，為不對稱長軸背斜。斷層發育，具一定規模的斷層有4條，主要分布在背斜西北翼及構造南段，走向北東，傾向南東，均為逆斷層，發生在上侏羅統蓬萊鎮組地層內。構造剖面如圖1所示。

圖1 地震INLINE510測線綜合解釋剖面圖

1.3 儲集層特征

蓬萊鎮組儲集層巖性為灰綠色薄-中厚層狀細砂巖和粗粉砂巖。儲集層主要為粒間溶孔、溶蝕擴大孔，次為粒內溶孔、鑄模孔和殘余粒間孔，裂縫偶見?？紫抖确植加?%～18%之間，主要分布于4%～8%和8%～16%兩個區間，平均為10.62%。最大滲透率為34.1 mD，最小為4.04×10-3mD，主要分布于0.01～100 mD之間， 平均為1.31 mD。蓬萊鎮組巖芯孔隙、滲透率分布如圖2所示，孔隙度-滲透率關系如圖3所示。

1.4 儲氣條件分析

蘇碼頭構造在軸部出露少量蓬萊鎮組地層，兩翼地表出露白堊系地層。因此，在構造兩翼，儲層的蓋層條件較好，構造軸部蓬萊鎮組中上部儲層蓋層條件相對較差，中下部儲層蓋層條件相對較好。

對蘇碼頭構造的主要斷層進行斷面壓力分析后發現，斷層封閉作用隨斷層的埋深減小而變弱，因此蓬萊鎮組上部斷層對氣藏起破壞作用，但若砂體不直接和斷層接觸，仍可依賴泥巖的側向封閉作用防止油氣沿斷面縱向散失。蓬萊鎮中下部斷層的斷面壓力大于地層壓力，斷層是封閉的。這也說明在淺部，油氣有沿斷層向上運移浸染淺部地層的能力，甚至有在局部富集形成淺層天然氣氣囊的可能。在麓山站-博覽城北站的MI1872-LB-35-1鉆孔，測試到淺層天然氣，其濃度高達4%，遠高于周邊其它鉆孔，且M1872-LB-35-1鉆孔恰好位于斷層部位。因此，隧道施工時，一定要注意斷層和節理裂隙部位的局部淺層天然氣富集。

圖3 蘇碼頭氣田蓬萊鎮組巖芯孔隙度-滲透率關系圖

2 現場檢測結果

對線路范圍內49個鉆孔進行檢測，累計測點199次，其中27個鉆孔有天然氣顯示，占55.1%，代表性鉆孔測試結果如表2所示。

鉆孔天然氣檢測結果表明，在蘇碼頭油氣田范圍內，油氣向上運移浸染上部地層具有普遍性。但就濃度而言，除MI1872-LB-35-1鉆孔外，天然氣最大濃度高達 40 000 ppm(4%)，接近天然氣燃爆極限，其余鉆孔天然氣最大濃度均小于 10 000 ppm(1%)，MI1872-LB-35-1鉆孔位于蘇碼頭背斜核部，且與斷層相連， 其余鉆孔均處于背斜翼部，且地層連續，這說明淺層天然氣分布受控于密度地層構造特征。

表2 天然氣測試結果表

3 室內氣相色譜試驗

鉆孔終孔封閉24 h，現場測試結束后采用改進的大氣取樣儀立即取樣，利用密封氣袋裝樣，送試驗室分析。

根據GB/T 13610-2003《天然氣的組成分析氣相色譜法》，室內采用氣相色譜法對氣樣進行成分和含量分析試驗。試驗結果表明，氣樣均以氧氣和氮氣為主，除少量二氧化碳、CH4和微量其他含碳氣體，未沒有發現其他有毒有害氣體。氣樣中可燃氣體CH4的含量介于1.80%～2.52%之間。鉆孔檢測氣體成分如表3所示。對比室內試驗結果和現場測試結果可知，室內試驗結果的CH4含量略低于現場測試濃度，這是因為室內取樣在現場測試之后，同時也說明通風對降低CH4濃度效果較好。

表3 氣體成分檢測結果表

4 結論

本文以淺層天然氣對淺埋隧道的瓦斯預測為研究對象，通過對地質構造條件、現場檢測及室內試驗結果進行分析研究，得出以下結論。

(1)鐵路隧道在穿越含油氣構造時，深部油氣沿斷裂向上浸染，隧道存在淺層天然氣溢出危害。在勘察設計階段有必要針對淺層天然氣開展專項研究。

(2)為避免高濃度瓦斯溢出造成爆炸，隧道盾構施工工法建議在低瓦斯或無瓦斯區段采用，在高瓦斯區段宜采用明挖或暗挖施工工法，并采取相應的通風、防爆等措施。